水平轴风力机结构设计.ppt

第二章 水平轴风力机结构设计 2 1叶片 2 1 1正常运转中阵风引起的弯曲应力由于风力机的惯性 和调向的滞后 发生对风偏差 又称偏航 使叶片受到的弯曲应力增加 风力机主要部件是细长杆件 刚度有限 工作环境复杂 设计不但要保证风能利用率高 还要在设计运行范围内安全可靠 风力机正常运转时 必须考虑承受风载荷和离心力 受到的重力弯矩 2 1 4陀螺效应 2 1 5叶片震动 1 风轮旋转时 叶片自重力与长度方向的夹角周期性变化2 风廓引起的风速不均3 风轮不能精确对风4 风速的紊流 脉动5 陀螺效应 1 叶片材料 木制叶片 钢制叶片 铝合金叶片目前叶片多为复合材料 即以玻璃纤维和碳纤维为增强材料 基体材料为聚酯树脂或环氧树脂 优点 比重小 拉伸强度高 易成型 耐腐蚀性强 2 叶片外形 等弦长直叶片 变弦长扭曲叶片 确定叶片材料时应考虑三个原则 一是材料应有足够的强度 刚度和寿命 二是必须有良好的可成型性和可加工性 三是材料的来源和成本 2 1 5叶片材料 一 叶片主体结构大型水平轴风机组风轮的结构主要为梁 壳结构 有以下几种结构形式 1 叶片主体采用硬质泡沫塑料夹心结构 大梁是叶片的主要承载部件 材料为玻璃纤维增强塑料 GRP 大梁常用D形 O形 矩形等形式 蒙皮GRP结构校薄 仅2 3mm 主要保持翼型和承受叶片的扭转载荷 成型 D形 O形和矩形梁在缠绕机上缠绕成型 在模具中成型上 下两个半壳 利用结构胶将C 或I 形梁和两半壳粘接 代表 丹麦Vestas公司和荷兰CTC公 NOI制造的叶片 优点 重量轻 制造成本低 缺点 对叶片运输要求较高 由于叶片前缘强度和刚度较低 在运输过程中局部易于损坏 这种叶片整体刚度较低 运行过程中叶片变形较大 必须选择高性能的结构胶 否则极易造成后缘开裂 2 叶片壳体以GRP层板为主 厚度在10 20之间 为了减轻叶片后缘重量 提高叶片整体刚度 在叶片上下壳体后缘局部采用硬质泡沫夹心结构 叶片上下壳体是其主要承载结构 C形梁用玻璃纤维夹心结构 设计相对较弱 与壳体粘结后形成盒式结构 共同提供叶片的强度和刚度 这种结构形式叶片以丹麦LM公司为主 叶片壳体和大梁用结构胶牢固地粘接在一起 优点 叶片整体强度和刚度较大 在运输 使用中安全性好 缺点 这种叶片比较重 比同型号的轻型叶片重20 30 制造成本也相对较高 2 1 9叶片叶片的热胀 积水和雷击保护 即使叶片是由纯绝缘材料制成的 也不能排除遭雷击的可能性 如果电流穿透叶片 叶片材料被加热至很高温度 就会导致叶片的破碎或剥离 任何一种安装在叶片内的导体都会增加雷电击中叶片的次数 此时电流从叶片传至大地而对其他部件不产生损害就很重要 雷击电流从叶片传至大地要途经轴承 机舱 发电机 塔架及控制系统 每个途经部件都要考虑到防雷及电流传导 风力发电机组的塔架与基础 塔架塔架是支撑风力发电机的支架 它不仅要有一定的高度 使风力机处在较为理想的位置 即涡流影响较小的高度 运转 而且还应该有足够的强度和刚度 以保证在台风或暴风袭击时 不会使整机倾倒 按外形结构塔架可分为单管拉线式 桁架拉线式 桁架式 圆台 或棱台 式 2 3塔架 塔架设计应考虑静动态特性 与机舱的连接 运输和安装方法 基础设计施工等从结构上分无拉索桁架 圆筒矗立混凝土基础中心有拉索基础结构四散 中心基础很小 一 单管拉线式 塔架由一根钢管和3 4条拉线组成它具有简单 轻便 稳定等优点 微型风力机几乎都是采用这种形式的塔架 二 桁架拉线式 小 中型风力机的塔架通常采用桁架拉线式结构 它是由钢管或角钢焊接而成的桁梁 再辅以3 4根拉线组成 桁架的断面形状最常见的是等边三角形与正方形两种 三 桁架式 由钢管或角钢焊接而成底大顶小的桁架 其断面最常用的是正方形 也有采用多边形的 这种结构不带拉线 沿着桁架立柱的脚手架可爬往机舱 下风向布置的中 大型风力机多采用这种结构的塔架 按结构材料分 塔架又可分为钢结构塔架和钢筋混凝土塔架 钢筋混凝土塔架在早期风力发电机中大量被应用 后来由于风力发电机大批量生产 从批量生产的需要而被钢结构塔架所取代 近年来随着风力发电机组容量的增加 塔架的体积增大 使得塔架运输出现困难 又有以钢筋混凝土取代钢结构塔架的苗头 第二节塔架基础 风力发电机基础均为现浇钢筋混凝土独立基础 从结构的形式看 可分为块状基础和框架式基础两种 2 3 2塔架的主要载荷 2 3 2 1对于静态 我们论述与塔架强度计算有关的两种载荷 作用到风轮上最大的气动推力和塔架本身所承受的最大风压 为了确保在台风或暴风袭击时 塔架仍不会倾倒 在强度计算时 不管是变距调节还是失速控制的风力机 风轮的气动推力和塔架所受的风压均要按暴风工况考虑 风轮上最大的气动推力 丹麦风电专家彼得森推荐 风轮气动推力 推力系数1 6 空气动力系数 当系统自振频率 2HZ时取1 暴风风速 风轮扫掠面积 桨叶数 塔架所受的风压 空气密度 塔架投影面积 空气动力系数 圆形封闭塔架取0 7桁架塔架取1 4 鉴于计算桁架构件的实际投影面积比较麻烦 工作量也比较大 通常可用塔架轮廓包围面积的30 计算 不能低于此值 2 3 2 2塔架动态特性 风轮转动引起塔架受迫振动的模态是复杂的 由于叶片转子残存的旋转不平衡质量产生的塔架以每秒n为频率振动 由于塔影 不对称空气来流风剪切 尾流等造成的频率为zn的振动 叶片数为z 塔架的一阶固有频率必须超过这些值得20 避免共振 还需注意避免高阶次共振 刚性塔 塔架 机头系统的固有频率zn f半刚性塔 n f zn柔塔 f n 可求 塔架弯曲挠度 一般常用的轮毂形式有以下两种 1 刚性轮毂刚性轮毂的制造成本低 维护少 没有磨损 三叶片风轮大部分采用刚性轮毂 也是目前使用最广泛的一种形式 2 铰链式轮毂 柔性轮毂或跷跷板式轮毂 铰链式风轮常用于单叶片和二叶片风轮 2 4机舱 传动系统和刹车系统 为了使塔架上方的主要设备及附属部件 桨叶及尾舵或舵轮除外 免受风沙 雨雪 冰雹以及盐雾的直接侵害 往往用罩壳把它们密封起来 这罩壳就是 机舱 设计要求 减小质量增加刚度便于舱内安装检修空间紧凑满足通风散热最好是流线型成本低 装配要求 联轴节精确对中联轴节最好选用弹性的 2 4 1机舱 2 4 3刹车装置 机械刹车 在低速轴刹车在高速轴刹车刹车设在低速轴时 制动力直接作用在风轮上 可靠性高 刹车力矩不会成为齿轮箱的负载 但在一定的制动功率下 刹车力矩大 结构布置方面较困难 刹车设在高速轴的优缺点与低速轴的相反 空气动力刹车 变桨距刹车叶尖扰流器改变叶片攻角使其失去升力 控制风力机转速 叶尖扰流器的叶片在弹簧力和离心力的作用下形性成阻力板 定桨距风力发电机组的刹车机构 一 气动刹车机构由安装在叶尖的扰流器通过不锈钢丝绳与叶片根部的液压油缸的活塞杆相联构成的 正常运转时 在液压力的作用下 叶尖扰流器与叶片主题部分组成完整的叶片 叶片扰流器是风力发电机组的主要制动器 每次制动时都是它起主要作用 脱网停机时 液压油缸失去压力 扰流器在离心力的作用下释放并旋转形成阻尼板 在正常停机的情况下 液压力并不是完全释放 即在制动过程中只作用了一部分弹簧力 为此 在液压系统中设置了一个特殊的减压阀和蓄能器 以保证在制动过程中不完全提供弹簧的制动力 为了监视机械刹车机构的内部状态 刹车夹钳内部装有温度传感器和指示刹车片厚度的传感器 定桨距风力发电机组的液压系统 定桨距风力发电机组的液压系统实际上是制动系统的执行机构 通常它由两个压力保持回路组成 一路通过蓄能器供给叶尖扰流器 另一路通过蓄能器供给机械刹车机构 两个回路的工作任务是使运行时制动系统始终保持压力 当需要停机时 两回路中的常开电磁阀先后失电 叶尖扰流器一路压力油被泄回油箱 叶尖动作 稍后 机械刹车一路压力油进入刹车油缸 驱动刹车夹钳 使叶轮停止转动 在两个回路中各装有两个压力传感器 以指示系统压力 控制液压泵站补油和确定刹车机构的状态 2 5对风装置 2 5 1风轮的自动对风 自动对风机舱 将风轮置于下风向 置于下风向的风轮能自动对风 不必另行设置调向装置 常用在大 中型风力发电机上 由于下风向风轮调向易使风轮随风向变化而摆动 需加阻尼器 缺点 在小风速下启动 对风要借助外力进行 单叶片 两叶片风轮对风不稳定 当叶片转到塔架下风向的紊流区时产生振动 易使叶片梁与轮毂的连接处产生疲劳断裂 同时叶片在塔架的紊流区内不能正向接受风能 优点 自动对风 无需专门的对风装置 不会对塔架产生扭转振动激励 结构简单 2 5 2尾舵对风 尾舵是最常用的一种对风装置 它广泛用于小 微型风力机 主要内两部分组成 一是尾杆 尾舵梁 装于风力机尾部并与培架的轴线正交 另一是尾翼 尾舵板 装在尾杆上与风轮轴平行或成一定的角度 并尾 将尾舵板置于与风轮平面平行的位置 2 5 3舵轮对风 舵轮是装在风轮后面 其旋转面与风轮扫掠而相垂直的两个平行的多叶式小风轮 舵轮的轴带动由圆锥齿轮及圆柱齿轮组成的传动系统 如图5 14所示 最后一对齿轮与装在塔架上方的回转体上的从动大圆柱齿轮啮合 当风向变化时 风从某一角度吹向舵轮并使其旋转 再通过传动系统使风轮旋转对风 当风轮重新迎风后 舵轮便停止转动 倘若最后 级传动采用能自锁的蜗轮组 则结构会更简单 些 第二节主动偏航系统 主动偏航系统由风向标 偏航轴承 偏航驱动装置 偏航制动器 偏航计数器 纽缆保护装置 偏航行星齿轮减速器 回转体大齿轮等部分组成 一 偏航轴承偏航齿圈的偏航轴承内外圈分别与机舱和塔架用螺栓联接 轮齿可采用内齿或外齿型式 二 偏航驱动装置偏航驱动装置一般有 1 电动机驱动偏航齿轮由偏航驱动电动机通过减速器驱动 2 液压驱动偏航齿轮由液压马达通过减速器驱动 三 偏航制动器 偏航制动器一般采用液压拖动的钳盘式制动器 1 常闭式钳盘制动器制动器采用弹簧夹紧 电力或液压拖动松闸来实现阻尼偏航和失效安全 2 常开式钳盘制动器制动器应采用制动期间高压夹紧 偏航期间低压夹紧的形式实现阻尼偏航 采用此种形式时 偏航传动链中应有自锁环节 四 偏航计数器偏航计数器是记录偏航系统旋转圈数 当偏航系统旋转的圈数达到设计所规定的初级解缆和终极解缆圈数时 计数器则给控制系统发信号使机组自动进行解缆 五 纽缆保护装置必备装置 作用 失效保护 纽缆保护装置一般由控制开关和触点机构组成 控制开关安装在机组的塔架内壁的支架上 触电机构安装与机组悬垂部分的电缆上 当机组悬垂部分的电缆纽绞到一定程度后 触电机构触发控制开关 使机组进行紧急停机 三 功率调节 当风速达到某一值时 风力发电机组达到额定功率 由于风速和功率是三次方的关系 风速再增加 发电机就会过载 必须有相应的功率调节措施 使机组的输出功率不再增加 目前主要有两种调节功率的方法 都是采用空气动力方法进行调节的 一种是定桨距 失速 调节方法 一种是变桨距调节方法 1 定桨距 失速 调节方法叶片与轮毂刚性联结 失速控制主要是通过确定叶片翼型的扭角分布 使风轮功率达到额定点后 减少升力提高阻力来实现的 在一般运行情况下 风轮上的动力来源于气流在翼型上流过产生的升力 由于风轮的转速恒定 风速增加叶片上的迎角随之增加 直到最后气流在翼型上表面分离而产生脱落 这种现象称为失速 优点 1 叶片和轮毂之间无运动部件 轮毂结构简单 费用低 2 没有功率调节系统的维护费 3 在失速后功率的波动小 缺点 1 气动刹车系统可靠性设计和制造要求高 2 叶片 机舱和塔架上的动态载荷高 3 由于常需要刹车过程 在叶片和传动系统中产生很高的机械载荷 4 起动性差 5 机组承受的风载荷大 6 在低空气密度地区难以达到额定功率 变桨距控制主要是通过改变翼型迎角变化 使翼型升力变化来进行调的 变桨距控制多用于大型风力发电机组 变桨距控制是通过叶片和轮毂之间的轴承机构转动叶片来减小迎角 由此来减小翼型的升力 以达到减小作用在风轮叶片上的扭矩和功率的目的 变桨调节时叶片迎角可相对气流连续变化 以便使风轮功率输出达到希望的范围 在风力发电机组正常运行时 叶片向小迎角方向变化而限制功率 优点 1 起动性好 2 刹车机构简单 叶片顺桨后风轮转速可以逐渐下降 3 额定点以前的功率输出饱满 4 额定点以后的输出功率平滑 5 风轮叶根承受的静 动载荷小 缺点 1 由于有叶片变距机构 轮毂较复杂 可靠性设计要求高 维护费用高 2 功率调节系统复杂 费用高 另外 还有一种功率控制方式 主动失速控制在额定功率点以前 叶片的桨距角是固定不变的 与定桨距风轮一样 在额定功率以后 即失速点以后 叶片失速导致风轮功率下降 风轮输出功率低于额定功率 为了补偿这部分损失 适当调整叶片的桨距角 来提高风轮的功率输出 第四章发电机 水平轴风力发电机对于发电机的设计和选型的原则是 一 发电机应尽量是多极发电机 二 由于发电机安装在很高的机舱里 要求发电机结构简单 重量轻 可靠性高 寿命长 三 生产制造成本低 发电机分类 从结构上分 1 永磁式发电机2 电励磁式发电机 1 他励 2 并励从电流形式分 当频率低于电网频率时 异步发电机成了电动机 由电网的电力驱动发电机转动 此种现象称为逆功率 异步发电机并网应安装逆功率切换装置 4 永磁交流发电机 用永磁体做发电机的磁极的交流发电机 采用永磁体做发电机的磁极 这样可以省去转子绕组 励磁机 励磁用电源及节省电能 但目前都限于微 小型发电机 电压大部分在220V以内 有功功率 式中 有功功率 瓦 交流电压有效值 交流电流有效值 负载的功率因数 无功功率 交流电压与电流相位差的正弦值 无功功率的单位是乏 var 或千乏 kvar 兆乏 Mvar 当负载为纯电感或纯电容时 只有无功功率而不消耗有功功率 为纯电阻时 只消耗有功功率而不需要无功 视在功率 在一般的交流电路中 输送的电功率中既有有功成分 又有无功成分 为其电压有效值与电流有效值的乘积 既不是有功功率 也不是无功功率 而是它们的合成量 视在功率 用字母S表示 蓄能装置 风能是随机性的能源 即使在风能资源丰富的地区 必须配备适当的蓄能装置 在风力强的期间 除了通过风力发电机组向用电负荷提供所需的电能以外 将多余的风能转换为其他形式的能量在蓄能装置中储布起来 在风力弱或无风期间 再将蓄能装置中储存的能量释放出来并转换为电能 向用电负载供电 第七章风力发电机组的控制与安全系统 控制系统的要求 1 满足用户提出的功能 2 安全可靠 在实际中 控制系统满足用户提出的功能上的要求是不困难的 而控制系统的可靠性直接影响风力发电机组的声誉 因为风力发电机组控制出现故障后对一般用户来说维修十分困难 第一节控制与安全系统的技术要求 一 风力发电机组运行的控制思想 定桨距失速型风力发电机组控制系统以安全运行控制技术要求为主 功率控制由叶片的失速特性来完成 变桨距风力发电机组采用控制桨距的方式使风力发电机组的输出功率发生变化 最终达到限制功率输出的目的 控制系统可以控制的功能和参数 1 功率极限 2 风轮转速3 电器负载的连接 4 起动及停机过程 5 电网或负载丢失时的停机 6 纽缆限制 7 机舱对风 8 运行时电量和温度参数等 二 工作参数的安全运行范围 1 风速 3 25m s 2 转速 风轮转速常低于40r min 发电机的最高转速不超过额定转速的20 3 功率 在额定风速以下时 不作功率调节控制 只有在额定风速以上应作限制最大功率的控制 通常运行安全最大功率不允许超过设计值的20 4 温度 通常控制器环境温度应为0 30 齿轮箱油温小于120 发电机油温小于150 传动环节温度小于70 5 电压 发电电压允许的范围在设计值的10 当瞬间值超过额定值的30 时 视为系统故障 6 频率机组的发电频率应限制在50Hz 1Hz 否则视为系统故障 7 压力机组的许多执行机构由液压执行机构完成 所以整个液压站系统的压力必须监控 由压力开关设计额定值确定 通常低于100MPa 第二节控制系统的结构原理 一 风力发电机组的控制目标 1 控制系统保持机组安全可靠运行 同时高质量地将不断变化的风能转换为频率 压力恒定的交流电送入电网 2 控制系统采用计算机控制技术实现对风力发电机组的运行参数 状态监控显示及故障处理 完成机组的最佳运行状态管理和控制 3 利用计算机智能控制实现机组的功率优化控制 定桨距恒速机组主要进行软切入 软切出及功率因素补偿控制 对变桨距风力发电机组主要进行最佳尖速比和额定风速以上的恒功率控制 4 大于开机风速并且转速达到并网转速时 风力发电机组能软切自动并网 保证电流冲击小于额定电流 二 风力发电机的运行控制 1 开机并网控制当风速10min平均值在工作区域内 机械闸松开 叶尖复位 风力发电机组慢慢起动 当发电机转速大于20 小于60 的额定转速持续5min 发电机进入电网软拖动状态 正常情况 风力发电机组转速连续增高 不必软拖增速 当转速达到软切转速时 风力发电机组进入软切入状态 当转速升到发电机同步转速时 机组并入电网运行 2 小风和逆功率脱网当10min平均风速小于小风脱网风速或发电机输出功率负到一定值后 风力发电机组不允许长期在电网运行 必须脱网 处于自由状态 风力发电机组靠自身的摩擦阻力缓慢停机 进入待风状态 3 无功补偿控制异步发电机要从电网吸收无功功率 使风电机组的功率因数降低 而并网运行的风力发电机组一般要求其功率因数达到0 99以上 所以必须用电容器组进行无功补偿 因此对补偿电容的投入与切除需要进行自动控制 保证功率因数达到要求 4 偏航与自动解缆控制 1 自动对风正常运行时偏航控制系统自动对风 即当机舱偏离风向一定角度时 控制系统发出向左或向右调向的指令 机舱开始对风 当达到允许的误差范围内时 自动对风停止 2 自动解缆当机舱向同一方向累计偏转2 3圈后 若此时风速小于风电机组启动风速且无功率输出 则停机 控制系统使机舱反方向旋转2 3圈解绕 若此时机组有功率输出 若机舱继续向同一方向偏转累计达3圈时 则停机 解绕 若因故障自动解绕未成功 在扭缆达4圈时 扭缆机械开关将动作 此时报告扭缆故障 自动停机 等待人工解缆操作 3 风轮保护当有特大强风发生时 停机并释放叶尖阻尼板 桨距调到最大 偏航90度背风 以保护风轮免受损坏 5 停机控制 当控制器发出正常停机指令后 风电机组将按下列程序停机 切除补偿电容器 释放叶尖阻尼板 发电机脱网 测量发电机转速下降到设定值后 投入机械刹车 若出现刹车故障则收桨 机舱偏航90度背风 紧急停机故障时 执行如下操作 首先切除补偿电容器 叶尖阻尼板动作 延时0 3秒后卡钳闸动作 检测瞬时功率为负或发电机转达小于同步转速时 发电机解列 脱网 若制动时间超过20秒 转速仍未降到某设定值 则收桨 机舱偏航90度背风 四 并网控制基本原理 分为恒速恒频和变速恒频控制 恒速恒频机组的整体效率较低 变速恒频是目前公认的最优化调节方式 也是未来风电技术发展的主要方向 优点 大范围内调节运行转速 来适应因风速变化而引起的风力机功率的变化 控制上也很灵活 可以较好的调节系统的有功功率 无功功率 缺点 控制系统较为复杂 变速恒频又根据发电机的不同分为以下几种 1异步感应发电机2绕线转子异步发电机3双馈发电机4永磁直驱同步发电机 发展趋势 目前国内外兆瓦级以上技术较先进的 有发展前景的风力发电机组主要是 永磁直驱风力发电机组控制回路少 控制简单 但要求逆变器容量大 双馈型风力发电机组控制回路多 控制复杂些 但控制灵活 尤其是对有功功率 无功功率的控制 而且逆变器容量小得多 二 雷电安全保护系统 根据国外风场的统计数据表明 雷击事故中的40 50 涉及到风电机控制系统的损坏 15 25 涉及到通讯系统 15 20 涉及到风机叶片 5 涉及到发电机 防雷是一个系统工程 需要在风电场整体设计上考虑 采取多层防护措